水轮机振动原因及改进方法研究

【摘要】根据水电机组的实际情况，对水轮机的振动问题进行分析，并提出几个振动问题处理的方法。本文通过现场转速实验，励磁实验，负荷实验及调相实验测试获得了有关数据，然后通过理论分析得到气蚀是水轮机振动的主要原因，通过完善补气系统等措施使问题得到较好的解决。

【关键词】水电；水轮机；负荷试验；振动

1.引言

振动是十分影响水轮机运行的。通常引起振动都是三个方面的因素：水力，机械，电磁。

而研究水轮机的振动的时候要考虑各方面的因素，而且电磁，水力，机械方面的因素是会相互影响，相互作用的。而且要考虑水轮机本身的原因。所以要分开讨论，本文通过实验测试结合理论来排除水轮机振动的原因。进而得到结果。

2.引起水轮机振动的原因

水轮机的振动分为机械振动，水力振动和电磁振动。

2.1 机械因素

机械部分的惯性力、摩擦力及其它力是机械因素的主要组成部分。其特征是振动频率等于整倍数的机组转动频率。引起机械因素主要有：转子不平衡，机组轴线不正，导轴承缺陷等。

2.1.1 转子不平衡

由于转子的不平衡，其重心就对轴心产生一个离心力。当轴以角速度旋转时，因为离心力的作用，产生一系列的变化使轴心绕重心作圆周运动，振幅就是回转半径，其特征是：振幅是随转速而变。

当水轮机机组中机组轴线不正是指的是旋转中心、机组中心及轴线（下转封三）（上接第176页）三者是否在一条直线上，最不好的是三者都不重合的状态。最经常发生的情况是轴线与平面不垂直和轴线在结合处曲折，由于轴线弯曲，得到一个离心力矩，从而产生推力轴承的轴向振动并且产生振摆。所以轴线不正，也是引起径向振动的原因。

2.1.3 导轴承缺陷

导轴承缺陷主要是当机组间隙过大，或润滑又不良导轴松动，或轴承与固定止漏环不同心等都会产生干摩擦，使机组发生横向振动。

2.2 水力因素

水力振动的主要因素有：水力不平衡、尾水管低频水压脉动、空腔汽蚀、等。

2.2.1 水力不平衡

水流流经蜗壳形成环流，当导叶运作时，转轮就开始旋转。而实际情况中任何一点点误差，都有可能使导水叶叶片、流道的形状与规定尺寸差别较大，当水流流经时，水流失去轴对称，并且会产生一个离心力，引起转轮振动。✎

2.2.2 尾水管低频水压脉动

在非设计工况下运转时，由于脱流旋涡和汽蚀及转轮出口处的旋转水流等影响，特别是在尾水管内出现大涡带后，涡带以近于固定的频率在管内转动，进而引起水流低频压力脉动。压力脉动会激起导水机构、压力管道、蜗壳、尾水管壁、转轮的振动。

2.2.3 空腔汽蚀

在实际情况下，水流是在不断变化的，在流速脱流中产生汽泡，汽泡进入高压区溃灭时就产生了汽蚀。此时在汽蚀部位会产生特殊的噪声和撞击声。因漩涡带引起脱流、负压而造成的压力交变产生的振动叫做空腔汽蚀。它会产生机组的顶盖及推力轴承剧烈的垂直振动，危害更大。

2.3 电磁因素

电磁因素是指振动过程的主要原因是电磁方面的，又因为电磁是随电流的增大而增大的，所以电磁振动也是随着电流的增ญ大而增强的，引起电磁振动的主要因素有转子绕组短路、空气间隙不均匀等。

2.3.1 转子绕组短路

当电路短路时，磁动势就会减少，而原本与之对应的磁动势没有变化，这就产生了一个不平衡磁拉力，引起转子的振动。这种振动的大小决定因素是线圈匝数。其振动的振幅与励磁电流有关，用公式表示为：Y=f（A），励磁电流A增加，振幅Y增大。当去掉励磁，振动立即消失。所以很容易把这种振动和其它原因产生的振动区分开来。

2.3.2 空气间隙不均匀

空气间隙会影响转子的摆动，从而使磁拉力不平衡，随着转子的旋转而引起空气间隙周期性变化，进而单边不平衡磁拉力沿着圆周作周期性移动，引起机组振动。 ☭

3.振动测试分析

3.1 转速试验

使机组在各种转速下旋转，准确测量机组各轴承的振动和摆度值，发现振幅不大，改变转速对振幅影响不大，通过理论研究则消除了这些原因：轴线曲折，导轴承不同心，盘车摆度未调好等。

3.2 励磁试验

在固定功率下让转子磁极增加励磁电流，发现振幅并不随之变大，则磁力不平衡这方面的原因是不可能的。

3.3 负荷试验

通过表格可以看出：如果振幅随负荷增减而增减，而且水轮机导轴承处的振幅变化敏感比上导轴承处要高，则水力不平衡是机组产生振动的主要原因。如果振动仅在某一负荷区域运行中较大，但避开这一负荷区域运行时，振动则明显减小，那么产生振动的主要原因应该是气蚀。

3.4 调相试验

使运行机组转为调相工况，如果振幅减小很多，则水轮机的水力部分主要是振动的干扰力原因，若振幅没有什么变化，则干扰力主要是机组的机械部分和电磁部分。

4.消除振动的主要措施

（1）先处理好设备及安装缺陷，使机械和电磁不平衡因素可以排除；

（2）对水力稳定性问题开展全面的现场量☼测和试验研究（包括必要的模型试验），运用专业力量弄清各部位的水压脉动幅值、频率及其发生、发展的规律；

（3）补气系统的完善；

（4）讨论改善高水头大负荷工况运行稳定性、增加发电机出力的可行性； （5）在摸清振源及其规律的同时，避开强振区运行。

5.结语

运用本文的方法可以排查水轮机振动的原因，在现场测量数据和实验的基础上，弄清该机组的水力稳定性问题，并完善补气系统，进而利用结构可靠性分析中的几何法得到了轮轴的摆度不超过某界限时，机组能稳定运行的可靠性概率。水轮发电机组的振动是一个复杂的问题，将现场测试与理论分析结合起来分析它的可靠度是为一种创新的、有效的方法。

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